劉 宇， 侯利鋒

（1.山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司， 山西 太原 030003；2.太原理工大學(xué)材料工程學(xué)院， 山西 太原 030024）

10Cr17鐵素體熱交換器用無(wú)縫鋼管的試制

劉 宇1， 侯利鋒2

（1.山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司， 山西 太原 030003；2.太原理工大學(xué)材料工程學(xué)院， 山西 太原 030024）

闡述了10Cr17熱交換器用無(wú)縫鋼管的試制工藝及工藝難點(diǎn)。通過(guò)調(diào)整熱軋、冷軋、熱處理工藝參數(shù)，提高表面質(zhì)量，降低廢品率，為打通冷軋鐵素體不銹鋼無(wú)縫管的工藝路線打下基礎(chǔ)。

鐵素體不銹鋼 無(wú)縫鋼管 熱穿孔 熱處理

隨著鐵素體不銹鋼焊接難題的逐漸解決[1]，在大部分的應(yīng)用領(lǐng)域，鐵素體不銹鋼替代奧氏體不銹鋼已經(jīng)成為新的發(fā)展趨勢(shì)。鐵素體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)約為奧氏體不銹鋼的1.5倍[2]，因此在熱交換器領(lǐng)域，鐵素體不銹鋼相對(duì)于奧氏體不銹鋼具有很大的優(yōu)勢(shì)。鐵素體不銹鋼無(wú)縫管市場(chǎng)需求龐大[3]，打通鐵素體不銹鋼無(wú)縫管工藝路線，是冷軋鋼管企業(yè)適應(yīng)市場(chǎng)環(huán)境的必要選擇。作為以?shī)W氏體不銹鋼無(wú)縫管為主要產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)，在技術(shù)、裝備上對(duì)鐵素體不銹鋼無(wú)縫管是否有很高的兼容性，需要進(jìn)行一系列的探索。

1 試制工藝設(shè)計(jì)

1.1 化學(xué)成分

采用的10Cr17原料鋼棒，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 原料實(shí)際化學(xué)成分 %

1.2 試制工藝

Φ82 mm鋼棒—熱穿孔Φ85 mm×7 mm荒管—淬火—酸洗—冷軋Φ67 mm×5 mm半成品管—淬火—酸洗—冷軋Φ38 mm×3 mm半成品管—淬火—酸洗—冷軋Φ25mm×2mm成品管—淬火—酸洗

1.2.1 熱穿孔

使用斜底爐使鋼棒加熱到1 050℃±10℃后，送入Φ89mm斜軋穿孔機(jī)，熱穿孔為Φ85mm×7mm荒管。荒管穿出后，進(jìn)入水池急冷。

1.2.2 冷軋

使用皮爾格往復(fù)式冷軋管機(jī)對(duì)荒管、半成品進(jìn)行冷軋。冷軋送進(jìn)量為4～5 mm，軋制次數(shù)按照規(guī)格選擇，范圍為60～80次/min，小規(guī)格略快。

1.2.3 熱處理

在冷軋前與成品態(tài)均進(jìn)行脫脂、熱處理。熱處理工藝見(jiàn)表2。

表2 冷軋前熱處理工藝

熱處理后進(jìn)行矯直酸洗。

1.2.4 酸洗

由于10Cr17材質(zhì)屬于中鉻不銹鋼，基體耐氧化性酸能力較好。同時(shí)熱處理產(chǎn)生的氧化皮成分比奧氏體不銹鋼的氧化皮更加單純（主要是FexOy以及少量尖晶石形態(tài)的鐵鉻混合氧化物）[5]，故可直接使用HNO3+HF混酸酸洗荒管、半成品和成品，無(wú)需重新配酸，節(jié)約時(shí)間成本。

2 試制結(jié)果及技術(shù)分析

2.1 熱軋

根據(jù)Thermo-Calc軟件計(jì)算出的相圖（如下頁(yè)圖1所示），10Cr17鋼種在900℃以下加熱會(huì)產(chǎn)生碳化物沉淀；而考慮溫度對(duì)鐵素體晶粒長(zhǎng)大的影響，因此將熱軋加熱目標(biāo)溫度定為1 050℃。

結(jié)果表明，在此溫度下穿出的荒管外表面粗糙（如下頁(yè)圖2所示）；金相觀測(cè)晶粒大小不均勻（如下頁(yè)圖3所示），且存在馬氏體組織（如下頁(yè)圖4所示）；延伸率較低（見(jiàn)表3）。

圖1 材料計(jì)算相圖

圖2 1 050℃穿孔荒管表面

圖3 1 050℃穿孔荒管晶粒不均勻

圖4 1 050℃穿孔荒管存在馬氏體組織

表3 1 050℃穿孔荒管拉伸性能

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合圖1可見(jiàn)，熱穿孔溫度1 050℃偏低，在此溫度下鋼的組織中會(huì)出現(xiàn)部分γ相（約15%），在兩相區(qū)熱加工導(dǎo)致表面質(zhì)量不良。同時(shí)γ相水冷后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，影響鋼管塑性以及后續(xù)冷軋質(zhì)量。因此熱穿孔溫度應(yīng)進(jìn)一步提高到1 130℃以上。

2.2 冷軋前的熱處理

10Cr17為純鐵素體鋼，但由于鐵素體中C、N的溶解度比奧氏體要小得多，實(shí)際上在加熱的過(guò)程中仍然會(huì)有一定的相變以及析出相存在，其均是影響冷軋的重要因素。所以在每道次冷軋前均要對(duì)半成品管進(jìn)行熱處理，主要目的是回復(fù)晶粒、消除析出物。一般來(lái)講10Cr17組織中影響冷軋的因素主要有以下幾種。

2.2.1 馬氏體

根據(jù)表1計(jì)算出鋼的Cr當(dāng)量為17.355、Ni當(dāng)量為2.241，在舍弗勒組織圖[6]上找出對(duì)應(yīng)點(diǎn)（如圖5所示，彩色線交叉點(diǎn)處），可以看出平衡態(tài)下本鋼種落在馬氏體+鐵素體區(qū)，這也與金相觀察結(jié)論一致。

圖5 10Cr17在舍弗勒組織圖上的位置

2.2.2 脆性相

相關(guān)研究指出[7]，鐵素體不銹鋼在400～550℃范圍內(nèi)停留會(huì)析出α'相，導(dǎo)致塑性、韌性顯著下降。在500～800℃范圍內(nèi)停留，會(huì)析出σ相，引起耐蝕性嚴(yán)重降低的同時(shí)，塑性、韌性也顯著下降。在高于950℃加熱并快速冷卻后，鐵素體不銹鋼組織中會(huì)出現(xiàn)Cr23C6等Cr的C、N化物沉淀，同時(shí)晶粒粗化，兩方面共同因素導(dǎo)致鋼材脆性增大、晶間腐蝕敏感性增強(qiáng)。

綜合以上因素，制定熱處理溫度為850℃，水冷以防止有害相析出。熱處理后檢驗(yàn)力學(xué)性能見(jiàn)表4。

冷軋、熱處理、酸洗后鋼管表面見(jiàn)下頁(yè)圖6，金相組織見(jiàn)下頁(yè)圖7。

表4 850℃熱處理后成品鋼管的力學(xué)性能

3 結(jié)論

1）10Cr17鋼管熱穿孔溫度應(yīng)為1 130～1 150℃。

2）通過(guò)合理的熱處理工藝，消除馬氏體以及析出相，是10Cr17鋼管冷軋成功的關(guān)鍵。

3）經(jīng)過(guò)850℃熱處理，馬氏體雖然基本分解，晶?；貜?fù)仍不均勻。因此熱處理工藝仍然需要改進(jìn)。

圖6 成品鋼管表面質(zhì)量

圖7 10Cr17鋼管經(jīng)850℃熱處理后的組織

[1] 余存燁.現(xiàn)代鐵素體不銹鋼應(yīng)用綜述[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2010，27（4）：1-3.

[2] 陸世英.現(xiàn)代鐵素體不銹鋼發(fā)展概貌[J].不銹，2004（2）：1-8.

[3] 劉亞丕，牛振標(biāo)，周焊峰，等.現(xiàn)代不銹鋼材料：結(jié)構(gòu)、性能、特點(diǎn)和應(yīng)用[J].磁性材料及器件，2016（2）：72-79.

[4] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).鍋爐、熱交換器用不銹鋼無(wú)縫鋼管：GB/T13296—2013[S].北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2013.

[5] 趙利勇，胡明輔，楊貞妮.鐵素體不銹鋼常溫快速酸洗[J].腐蝕與防護(hù)，2007，28（12）：655-656.

[6] 王笑天.金屬材料學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[7] 陸世英.現(xiàn)代鐵素體不銹鋼[J].不銹，2005（4）：6-18.

（編輯：王瑾）

Trial Production of Seamless Steel Tubes for 10Cr17 Ferritic Heat Exchangers

Liu Yu1,Hou Lifeng2
(1.Shanxi TISCO Stainless Steel Tube Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030003；2.School of Materials Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

The trial production process and technical difficulties of seamless steel tubes for 10Cr17 heat exchangers are expounded.By adjusting the technological parameters of hot rolling,cold rolling and heat treatment,the surface quality is improved and the rejection rate is reduced,laying foundation for the process of cold rolled ferritic stainless steel seamless tube.

ferritic stainless steel,seamless steel tube,hot piercing,heat treatment

TG142.23

A

1672-1152（2017）04-0015-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.04.06

2017-04-18

劉宇（1983—），男，本科，畢業(yè)于西安石油大學(xué)，助理工程師，主要從事無(wú)縫鋼管的研發(fā)。